资源简介

4.2 能源
4.3 环境保护与可持续发展
学习目标 1.通过任务1及其活动,知道能量转移或转化的方向性和能量耗散。(物理观念、科学思维) 2.通过任务2及其活动,知道能源的分类与应用,了解能源与社会发展的关系,知道节约能源和开发新能源的意义。(物理观念、科学态度与责任)
【自主预习】
　　重点难点:能量转移或转化的方向性及能量耗散;能源的利用和社会持续发展的关系。
教学建议:能源与环境是社会关注的两个问题。通过本节的教学,应使学生理解这两个社会问题产生的原因。可在课前布置学生预习和自学,分几个专题,以学习小组为单位布置学生查找资料,在课堂上让学习小组的代表汇报自学情况以及查找资料的成果。结合学生的交流情况,引导学生思考:人类现在可用的清洁能源有哪些 21世纪人类利用能源的趋势是什么 在课后布置学生就清洁能源的利用和我们的未来生活写一篇小论文。本节教学应充分联系生产和生活实际,开展丰富多彩的社会活动,引导学生关注社会、关注人类的未来,并充分体现从生活走向物理、从物理走向社会的教学思想和教学理念。
导入新课:随着我国经济的不断发展,能源需求持续增长,能源供需矛盾日益突出,环境污染十分严重。为了实现能源的可持续发展,必须“开源”,即开发核电、风电等新能源和可再生能源,另一方面还要“节流”,即调整能源结构,大力实施节能减排措施。
思考并回答问题。
思考1:电池中的化学能转变成电能,电能又在灯泡中转变成光能,火炉给屋子供暖等,流散的内能我们有办法把它们重新收集起来加以利用吗
【提示】 根据能量耗散原理可知,散失在空气中的内能我们没有办法把它们重新收集起来加以利用。
思考2:既然能量守恒,为什么还要节约能源
【提示】 人们在使用能源的时候,高品质的能量释放出来,并最终转化为低品质的内能,虽然能量不会减少,但能量品质会越来越低,所以要节约能源。
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡。 (　　)
(2)能量耗散会导致能量品质降低,也会导致总能量的减少。 (　　)
(3)核能是可再生能源。 (　　)
(4)当一个物体的能量减少时,一定有其他物体的能量增加。 (　　)
(5)能量耗散反映了自然界中涉及能量转化的宏观自然过程具有方向性。 (　　)
【答案】(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√　
【合作探究】
任务1 能量的品质
　　为了节能减排,我国大力发展新能源汽车。如图所示,电源正在给电动汽车中的锂电池充电。
1.汽车充电和加速运动时,能量是如何转化的
【解答】 汽车充电时电能转化为锂电池的化学能和内能;加速运动时,锂电池化学能转化为汽车的机械能和内能。
2.汽车运动时,锂电池的部分能量会转化成内能。这部分能量还可以再重新收集起来供人类利用吗 什么是能量转移或者转化的方向性
【解答】 汽车充电、运动过程产生的内能,是以热量的形式散发出去,不会再自动聚集起来供人类重新利用。一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,具有方向性。比如高温物体会自发地把内能转移给低温物体,使它们的温度趋近相同,但低温物体却不会自发地把内能转移给高温物体,使其温度更高。
3.结合下图,思考什么是能量的耗散 为什么能量是守恒的,我们还要节约能源
【解答】 火力发电机把燃料的化学能转化为电能,然后电能通过各种用电器转化为内能、光能、机械能等,最终都是以热量的形式散发出去,不会再自动聚集起来供人类重新利用,这种现象叫作能量的耗散。能量耗散表明,在能源的利用过程中,虽然能量总数没有减少,但可利用的品质降低,所以要节约能源。
　　能量耗散和品质降低
　　(1)能量耗散:系统的①　　　　　　流散到周围环境中,没有办法把这些内能收集起来加以利用,这种现象叫作②　　　　　　。
(2)品质降低:能量从③　　　　　　的形式降级为④　　　　　　的形式叫品质降低。
(3)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有⑤　　　　　　,能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的⑥　　　　　　。
【答案】①内能　②能量耗散　③高度有用　④不大可用　⑤方向性　⑥降低
应用　对能量耗散的理解
(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是 (　　)
A.能量耗散使能的总量减少,违背了能量守恒定律
B.能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用
C.各种形式的能量向内能的转化,是能够自动全额发生的
D.能量耗散导致能量品质的降低
自然界中的能量是守恒的,不同能量之间可以相互转化,但是仍然要提倡节约能源,因为能源的品质在下降——能量耗散。
【答案】BCD
【解析】 能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收,遵守能量守恒定律,但使得能量品质降低,A项错误,D项正确;耗散的内能无法再被利用,B项正确;其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能,但相反过程却不能够全额进行,C项正确。
任务2 能源　环境保护与可持续发展
　　北京冬奥会开幕时,全世界的目光便汇集到双奥之城——北京,在绿色办奥运会的理念加持下,北京冬奥将成为奥运历史上第一届100%使用绿色清洁电能的奥运会,成为迄今为止第一个“碳中和”的冬奥会。各种绿色环保的新能源、新技术在冬奥会上大规模应用,其中氢能源的使用,便是我国本次通过冬奥会展示给世界的一项重要技术。为什么北京的“绿色冬奥”会引起全世界的关注 请阅读课本相关内容,回答下列问题。
1.什么是不可再生能源 什么是可再生能源
【解答】 无法在短时间内再生的能源叫作不可再生能源,如煤炭、石油和天然气等。自然界可以再生的能源叫作可再生能源,如水能、风能、潮汐能等,这些能源归根结底都来自太阳能。
2.太阳能发电、水力发电、风力发电、核能发电各有什么优、缺点
【解答】 对环境的影响力小、资源广是太阳能发电、风力发电的优势,但劣势是不稳定、容量小;水力发电的优点是成本低、容量大、稳定性好,是我国电力的主要来源之一,缺点是受自然条件影响较大。重核裂变和轻核聚变都能产生巨大的能量,同质量的物质,核燃料释放的能量要远大于化石燃料释放的能量,相对污染也小于化石燃料。核能利用最大的问题是防止核泄漏以保障安全,及核废料的处理。
3.化石能源的大量消耗会带来很多环境问题,如温室效应、酸雨、光化学烟雾等,请谈谈它们的危害。
【解答】 温室效应使两极的冰雪融化,海平面上升,淹没沿海城市,使海水倒流入河流,从而使耕地盐碱化。酸雨对人类是有害的,首先危害人体健康,由于酸雨可溶解空气及土壤中的重金属粒子,使其变成对人体有害的物质,人饮用了这种水就会诱发各种疾病;其次使土壤酸度增加从而危害植物的正常生长,使土壤酸化;河流湖泊酸化后就影响水生物及鱼类的生长等,严重破坏生态环境;再者酸雨是强腐蚀剂,能腐蚀建筑材料。光化学烟雾有毒,能引起人的多种疾病。
4.人类生存和发展需要利用能源,但能源的开发和利用会破坏环境。为了实现可持续发展,我们需要坚持怎样的原则
【解答】 可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡,为了实现可持续发展,我们一方面要大力提倡节能,采取节能措施;另一方面要发展可再生能源以及清洁能源。
1.煤、石油、风能、太阳能、地热能以及核能,这些可以从自然界中⑦　　　　　　获取的能源,统称为一次能源。必须通过⑧　　　　　　能源的消耗才能得到的能源叫二次能源,包括⑨　　　　　　等。
2.太阳能、水能、风能、生物质能、海洋能等在自然界可循环再生的能源,称为⑩　　　　　　;煤、石油、天然气、油页岩等在自然界中经过亿万年形成,短期内无法恢复的能源,称为　　　　　　。
【答案】⑦直接　⑧一次　⑨电、煤气、蒸汽及各种石油制品　⑩可再生能源　不可再生能源
将下列给出的各种能源按给出的划分依据进行分类。
能源:煤炭、木柴、石油、太阳能、电能、核能、潮汐能、地热能、风能、煤油、沼气。
(1)划分依据:一次能源;分类:　　　　　　。
(2)划分依据:二次能源;分类:　　　　　　。
(3)划分依据:可再生能源;分类:　　　　　　。
(4)划分依据:不可再生能源;分类:　　　　　　。
【提示】 (1)煤炭、木柴、石油、太阳能、核能、潮汐能、地热能、风能。
(2)电能、煤油、沼气。
(3)木柴、太阳能、潮汐能、地热能、沼气、风能。
(4)煤炭、石油、核能、煤油。
归纳总结 对能源分类的理解 能源分 类方法能源分类 名称特点举例按形式 或转换 特点分一次能源自然形成,未经加工太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能二次能源由一次能源经加工转换而成焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能按利用 技术分常规能源已大规模正常使用煤、石油、天然气、水能新能源正在开发,或有新的利用方式太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能按可否 再生分可再生 能源 可循环使用水能、风能、生物质能、地热能不可再 生能源 短期内无法转换获得煤、石油、天然气、核燃料按对环 境污染 情况分清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能污染能源会严重污染环境化石燃料(煤、石油、天然气)
应用　能源的开发与利用
某瀑布落差为50 m,顶部流速为2 m/s,水流截面积为6 m2,用它发电有65%的机械能转化为电能,其电功率为多大
(1)水流的机械能包含哪些方面的能
(2)水在时间t内流过的质量怎么求
【提示】 (1)包含动能和重力势能。(2)m=ρSvt。
【解答】 设在时间t内落下的水的质量为m,则m=ρSvt
　　质量为m的水落下时的机械能
E机=mgh+mv2
由题意可知,65%E机=E电=Pt
所以P==
==3.9×106 W。
【随堂检测】
1.(任务1)关于能量耗散,下列说法正确的是 (　　)
A.能量耗散是指在一定条件下,能量在转化过程中总量减少了
B.能量耗散表明,能量守恒定律具有一定的局限性
C.能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了
D.能量不可能耗散,能量守恒定律反映了自然界中能量转化的宏观过程可以有任意的方向性
【答案】C
【解析】 能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了,C项正确。
2.(任务1)(改编)某款太阳能车载摆件如图所示,它的工作原理是太阳光照射摆件时,内部太阳能板可将太阳能转化为电能,通电后控制器带动转盘绕竖直中心轴转动,转盘边缘焊接有一金属伞。圆柱面边缘有如图所示的竖直圆盘,圆盘内部分镂空成弯曲的伞形,当转盘转动后金属伞恰好可通过该镂空的金属伞。下列说法正确的是 (　　)
A.该摆件能将太阳能全部转化为电能,没有能量的耗散
B.转盘转动过程中不遵守能量守恒定律
C.可以在金属伞上找到线速度相同的点
D.该摆件不需要额外提供能量,所以是永动机
【答案】C
【解析】 该摆件不可能将太阳能全部转化为电能,该过程一定有能量的耗散,A项错误;能量守恒定律是普适性规律,转盘转动过程中也遵循能量守恒定律,B项错误;金属伞上各点的角速度相等,根据v=ωr可知,可以在金属伞上找到转动半径相等的点,这些点的线速度相同,C项正确;该摆件的能量来自太阳能板(将太阳能转化为电能),不是永动机,D项错误。
3.(任务2)下图是一幅“能源分类相关图”,以下四组能源中,全部符合图中阴影部分的是 (　　)
A.煤炭、石油、沼气
B.水能、潮汐能、天然气
C.太阳能、风能、生物能
D.地热能、海洋能、核能
【答案】C
【解析】 煤炭、石油都是不可再生能源,A项错误;天然气是一种化石燃料,是不可再生能源,B项错误;太阳能、风能、生物能都是可再生新能源,都来自太阳能,C项正确;地热能来源于地球内部的热量,核能是指核裂变或聚变时产生的光能和热能,不是源于太阳能的辐射,D项错误。
4.(任务2)潮汐能是海水周期性涨落运动中所具有的能量,是一种可再生能源。现建立一个简化模型,某发电站大坝内储水水库的有效面积S=4×106 m2,涨潮时,当大坝外侧海平面高度h=4 m时(以海水流入前的水库水面为参考系),打开大坝下面通道的闸门,海水流入,此过程中通道处的水轮机利用水流的动能发电,直至大坝内外水面等高,关闭闸门。等到完全退潮后,开闸放水,再次发电,直至大坝内外水面再次相同,关闭闸门,等待下一次涨潮发电(此时的水库水面高度即为涨潮前的水库水面高度)。由于海洋很大,大坝外的海平面高度在海水流入、流出水库过程中几乎不变,潮水一天涨落两次,海水的势能有25%转化为电能,则这个发电站一天的发电量约为 (　　)
A.4.0×1010 J B.1.5×1010 J
C.3.0×1011 J D.1.5×1011 J
【答案】C
【解析】 根据题意可得电能E电=Ep×25%=4×106×4×4×1.0×103×10×2×25% J=3.2×1011 J,故日发电量约为3.0×1011 J ,C项正确。
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